地鐵站通風空調系統節能運行方法探討

于永波

摘? 要：隨著我國經濟的不斷發展，城市軌道交通的建設、運營體量越來越大，隨之而來的是城市軌道交通能源消耗的快速增長，能耗支出占運營成本的比重不斷增加。各城市的軌道交通運營企業日益開始重視地鐵車站的能耗問題，而通風空調能耗占總能耗的1/3，本文就北京地鐵車站的一個節能案例，提出了一些車站通風空調系統節能運行的有效方法。

關鍵詞：軌道交通? 能源消耗? 通風空調? 節能

中圖分類號：C913? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0078-04

Discussion on Energy-Saving Operation Method for Ventilation and Air-conditioning System of Subway Station

YU Yongbo

（Electromechanical Branch of Beijing Metro Operation Co.，Ltd.， Beijing，100043? China）

Abstract： With the continuous development of China's economy， the construction and operation volume of urban rail transit is becoming larger and larger， followed by the rapid growth of energy consumption of urban rail transit， and the proportion of energy consumption expenditure in operation cost is increasing. Rail transit operation enterprises in various cities are increasingly paying attention to the energy consumption of subway stations， and the energy consumption of ventilation and air conditioning accounts for 1 / 3 of the total energy consumption. Based on an energy saving case of Beijing Subway Station， this paper puts forward some effective methods for energy saving operation of station ventilation and air conditioning system.

Key Words： Rail traffic; Energy consumption; Ventilation and air-conditioning; Energy saving

城市軌道交通系統中，通風空調系統是重要的用電大戶，其運行能耗約占總能耗的1/3[1]。因此，在滿足室內環境舒適性要求的前提下，如何提高通風空調系統運行效率、大幅降低通風空調系統運行能耗，是城市軌道交通節能減排工作的重中之重。目前，我國地鐵通風空調系統普遍缺乏精細化的運行能耗管理，缺乏針對地鐵熱環境設計的節能運行方法，在全年運行的許多方面均存在顯著的節能空間。

本文利用北京地鐵8號線森林公園南門站的節能改造案例，介紹了一些實用性較好的節能運行方法。

1? 項目概況

北京地鐵8號線線路長度45.6km，共設有35座車站。本次節能改造的為8號線森林公園南門站，站臺采用島式站臺設計。森林公園南門站的通風空調系統主要包括4部分：一是大系統[2]，在車站南北兩端的通風機房內各設置了一臺組合式空調機組，負責站臺、站廳公共區的制冷通風;二是小系統，同樣采用全空氣系統形式，利用空調機組為車站兩端的設備管理用房等輔助區域的制冷通風;三是冷源，主要由2臺螺桿機組、2臺冷凍水泵、2臺冷卻水泵及2臺冷卻塔組成，冷源為大、小系統共用;四是隧道通風系統，包括南北兩端2臺TVF風機。

冷水機組2臺，單臺電功率138kW;冷凍水泵2臺，單臺電功率22kW;冷卻水泵2臺，單臺電功率30kW;冷卻塔風機2臺，單臺電功率7.5kW;空調機組5臺，單臺電率3～30kW;隧道風機2臺，單臺電功率90kW。

2? 能耗現狀與運行方式

在節能改造前，利用1年時間對森林公園站的現狀能耗進行了詳細測試，經測試森林公園南門站全年耗電量約150萬度。其中，冷水機組耗電占14%，隧道（TVF）風機耗電占13%，空調機組耗電占34%，冷卻塔風機耗電占13%，冷凍及冷卻水泵耗電占26%。

在節能改造前，森林公園南門站通風空調設備在夏季運行時間如下。

2.1 夏季通風

6月1日至10月10日：公共區，車站空調機組、回排風機小新風運行6：00-23：00;隧道排熱風機開啟6：00-23：00;附屬用房，房間風機、新風機全日運行。

2.2 夏季空調

6月1日至6月30日、9月16日至10月10日：公共區，冷水主機2臺運行8：00-20：00;附屬用房，冷水主機1臺、新風機組/回排風機全日運行。

7月1日至9月15日：公共區，冷水主機2臺運行7：00-22：00;附屬用房，冷水主機1臺、新風機組/回排風機全日運行。

經詳細調研8號線各座車站后，發現北京地鐵車站通風空調系統主要存在以下幾方面問題。

（1）通風空調系統運行主要依賴于統一的時間表控制和模式控制方式，運行調控手段相對簡單。實際運行時，空調機組新風量基本不變，隧道風機開啟臺數和運行頻率基本保持定值，而這些設備實際上是應該根據車站的實際狀況和室外氣溫狀況進行調整的。若可以根據客流情況對工作日、節假日做出區分后設置適宜的運行模式，早高峰前、晚高峰后根據室外溫度采用加大通風量、減小制冷機運行時間等手段，則車站的通風空調系統能耗將會有大幅降低。

（2）沒有充分利用地鐵車站的一些獨有資源。地鐵列車運行時的活塞風效應本應有很強的通風效果，如能充分地利用地鐵活塞風對車站進行通風，則可避免地鐵隧道年平均溫度不斷升高，同時又會對車站公共區提供較好的通風效果。地鐵車站的出入口面積大、阻力小，是很好的通風通道，可以充分利用出入口調整風機的運行方式，如采用車站單獨送風或車站單獨排風的運行模式。

（3）通風空調系統溫濕度傳感器設置位置不理想，傳感器控制精度不高，這就導致車站站廳、站臺公共區域的溫度偏低，實測車站的環境溫度多數低于28°C，甚至低于26°C，不利于系統的節能。

（4）BAS系統未能形成有效的調控工具，BAS系統目前主要完成了數據采集、傳輸、顯示功能，以及完成部分設備的就地控制，并未形成空調、通風、制冷系統的聯合控制。

3? 節能工藝

3.1 冷水機組節能運行

3.1.1 改造方案

冷水機組改造方案為，通過增加設置車站溫濕度傳感器，合理設置傳感器的位置及高，利用傳感器實時采集車站公共區內的空氣狀況、冷水機組供回水溫度，計算車站熱負荷率，調節冷水機組的啟停臺數及冷水出水溫度。

3.1.2 運行模式

冷水機組根據室內外焓值及室內溫度控制機組運行，實現機組啟停的自動控制，并根據冷機供水溫度與負荷率實現自動加減載，避免冷機低負荷率現象，具體策略如下。

（1）當室外空氣焓值大于設定焓值時[3]，開啟冷機;室外空氣焓值小于設定焓值時，關閉冷機;此外，當地鐵停止運營時，冷機停止運行，部分工作區域由分體空調調節室內溫度。實際運行中，考慮到濕度傳感器在長期使用中容易出現慢漂移故障，可用干球溫度代替焓值進行判斷。

（2）加臺數控制：當系統供水溫度達不到設定溫度（7℃）的連續時間超過設定時間（5min），冷水機組的負荷率達到冷水機組上限數值95%，自動開啟下一臺冷水機組。

（3）減臺數控制：當系統供水溫度可達到設定溫度（7℃），且冷水機組的平均負荷率低于50%的連續時間超過設定時間（5min），自動關閉一臺冷水機組。

3.1.3 運行效果

上述運行模式可充分利用新風中的冷量，在室外新風焓值較低時，關停冷機或降低冷機的負荷率。如圖1為8月18日新風溫度和冷機運行狀態記錄，當天室外溫度為23～32°C，可看到在全天大部分時間內，冷機都不需要開啟。

3.2 冷卻泵節能運行

3.2.1 改造方案

冷卻水泵改造方案為增加1組變頻器及控制柜，冷卻水泵實現變頻調節。

3.2.2 運行模式

冷卻泵與冷水機組的能耗是相互耦合的。如果提高冷卻水流量，冷卻泵能耗增加，但冷機冷凝溫度下降，冷機運行效率上升，運行能耗下降;反之，如果降低冷卻水流量，雖然有利于降低冷卻泵能耗，卻會對冷機運行能耗帶來不利影響。

因此，在進行冷卻泵節能運行時，需要計算各種負荷率下、不同工況點下，基于冷機效率曲線與冷卻泵曲線，計算該工況下使冷機和冷卻泵綜合能耗最低的冷卻水溫差[4]。本項目的計算結果如圖2所示。之后，通過調整冷卻泵頻率，維持冷卻水溫差處于最佳值。

3.2.3 運行效果

運行策略優化后，冷源（冷機+冷卻泵+冷卻塔+冷凍泵）的綜合COP值提升，見公式（1），非節能模式下不到3.2，節能模式下可達3.8以上。

公式（1）[5]：冷站綜合COP=冷站總制冷量（kW）/冷凍站總電耗（kW）。

3.3 風系統節能運行

3.3.1 改造方案

大系統風機增加變頻器，根據公共區的溫度，調節送風機的風量。

對于小系統風機，重點改善不同區域冷熱不均的現狀，以對于特殊房間進行單獨處理為例，對人員負荷較大、室內溫度較高的房間安裝分體空調，將小系統區域的負荷轉移至大系統范圍內，由空調大系統進行處理。

3.3.2 運行模式

大系統風機送、回、排風閥聯動運行，實現設備啟停、運行頻率根據室內外環境參數自動調節，以及過渡季節全新風工況運行，具體如下。

（1）當室外溫濕度不適宜時，系統根據所需最小新風量運行，風機頻率根據回風溫度控制，當風機頻率低于30Hz時，調節冷凍水閥開度。

（2）當室外溫濕度適宜時，回風閥關閉，送風機在全新風工況運行，風機頻率根據室內溫度控制。

3.3.3 運行效果

圖2顯示了夏季典型日送風機頻率、回排風機頻率和回風溫度的變化，可見回風溫度可以被控制在要求值（28°C）以下，而風機頻率能夠根據負荷的變化，實現節能運行。

4? 自動化方案

在森林公園南站的節能改造中，采用清華同方的EnCs節能控制系統，實現了上述節能工藝。對既有車站的節能改造，最大的問題是原車站的通風系統部分設備是兼顧排煙功能的，節能控制系統又與原車站的BAS系統部分控制功能是交叉的，這就需要節能系統應在BAS主控柜處做并行處理，系統之間設置控制權切換控制按鈕。節能系統還需監聽FAS系統信號，當監聽到FAS系統火災信號時，節能系統需自動釋放控制權限。

5? 節能效果

節能優化后，室溫控制效果穩定。圖3對比了8月兩個氣溫相近日的站廳站臺溫度控制效果，由圖3可見，節能系統的室溫控制效果更平穩，減少了過冷的情況，同時又始終維持室溫在要求值（28°C）之下。

為了研究節能效果，在2018年6～9月，分別擇連續4d（保證天氣基本相似）進行對比測試，即兩天采用原有運行模式，另兩天采用節能模式，進行對比效果測試，最后測試結果為：系統總節能率分別為43.6%、43.0%、46.1%和48.9%，按此節能率計算系統總節能量將達到55萬度電[6]，節能效果明顯。

6? 結語

本文提出了針對地鐵站通風空調系統的節能運行方法，優化了冷源、水泵、風機的運行方法，在確保車站環境溫度滿足運營要求的前提下，實現了很好的節能效果。通過森林公園南門站的實際應用，室溫控制穩定，節能效果明顯，空調季綜合節能率達到44%。因此，這種方法值得進一步推廣應用。

參考文獻

[1] 高磊.地鐵通風空調系統節能分析[J].工程管理前沿，2020（12）：110-111.

[2] 高波，李先庭，韓宗偉，等.地鐵通風空調系統節能的新進展[J].暖通空調，2017，41（8）：21-26.

[3] 楊昭，余龍清，馬鋒，等.地鐵通風空調系統的逐時優化節能控制策略[J].天津大學學報，2017，45（7）：599-603.

[4] 劉昶，吳疆.廣州地鐵14號線嘉禾望崗站空調冷卻水系統能效分析[J].暖通空調，2020（10）：33-34.

[5] 丁勇，劉學，黃渝蘭，等.空調系統節能量測量與驗證方法的應用分析[J].暖通空調，2018（7）：42-43.

[6] 羅燕萍，韓瑤，王靜偉，等.地鐵車站制冷系統綜合節能改造[J].暖通空調，2019（5）：55-56.